蜂窝及其夹芯结构在桥墩防撞中的应用

钟 鹏

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

蜂窝结构是一种灵感来自于蜂巢的多孔结构，其高达80%的孔隙率赋予它独特的功能属性,如隔热、吸能、减噪[1,2]。得益于卓越的机械性能和轻质化特性，蜂窝结构已广泛应用于航空航天和船舶工程领域中[1]。

1 蜂窝结构概述

根据外观形态的不同，笔者将目前蜂窝结构的发展和研究对象分为普通蜂窝结构和内凹蜂窝结构。

1.1 普通蜂窝结构

普通蜂窝结构状如自然界的蜂巢结构，是正六边形。其压缩过程大致可分为3个阶段：弹性阶段、平台阶段和密实化阶段。由于压缩过程中平台阶段的应力较低且稳定，蜂窝结构可吸收大量能量，是吸能缓冲结构的良好选择[3]。

1.2 内凹蜂窝结构

基于普通蜂窝结构的研究，随后出现了内凹蜂窝结构。它不仅具有普通蜂窝结构的特性，还发展了其他的优异性能。与呈现正泊松比的普通蜂窝结构不同，内凹蜂窝结构具有负泊松比效应。它在单轴拉伸（或压缩）下会导致横向膨胀（或收缩），这种独特的性能使得它在许多方面比其他结构更有优势，成为具有发展潜力的新型结构[4.5]。目前有许多学者对这种新型的内凹蜂窝结构力学性能进行研究[6,7]，仿真模拟结果表明内凹蜂窝结构比普通蜂窝结构有更高的平台应力，意味着有更好的能量吸收能力[2]。此外，随着冲击速度的增加，局部变形逐步集中于冲击端，这为缓冲、防撞装置提供了有效可行的思路。

2 蜂窝结构的应用现状

普通蜂窝结构的泊松比虽为正值，但高孔隙率使其具有优异的性能。内凹蜂窝结构的泊松比为负值，力学等性能优于前者。目前，两种类型的蜂窝结构均有广泛的应用。

2.1 在航空航天领域中的应用

对于飞行器而言，柔性蒙皮可给予它良好的气动性能。柔性蒙皮的出现促使了自适应变体飞机的成功实现。2015年，为缓解作为支撑体的蒙皮易出现应力集中的问题，刘凯宇[8]提出了一种既有连续光滑的变形，又具有刚度、强度的轻质可变形柔性蒙皮，它主要是由上下两层薄面板与其间的蜂窝夹芯结构胶结而成，有助于使飞机在各种飞行环境下通过调整翼型以保持最佳的气动效率。2017年，宫晓博[9]为克服蜂窝结构在变形结构应用中的不足，对基于刚性蒙皮和零泊松比蜂窝的受弯度机翼结构进行了研究，设计了一种四角星形零泊松比蜂窝结构，并对其进行有限元数值模拟方法分析，表明该结构能够解决面外翘曲变形问题。

2.2 在船舶领域中的应用

蜂窝结构具有良好的吸能特性，当其受到冲击荷载作用时，会通过自身的变形来耗散部分能量，从而达到保护船舶的目的。2015年，ZHAO[10]等人为提高船舶的耐撞性，通过有限元程序 MSC/Dytran 的仿真,研究具有夹层蜂窝夹芯板的船舶在侧向动力载荷作用下的耐撞性。充填层的数值模拟有助于开发新的防撞结构或结构设计概念,为其他研究人员创新船舶结构设计提供参考。2019年，李琛[11]等人运用增材制造技术，提出蜂窝结构底板方案，经过有限元分析的验证，这种新的底板结构的抗弯矩和抗扭矩能力优于传统的纵横板架结构，为蜂窝结构在船体设计中的应用提供了理论依据。

3 在桥墩防撞装置中的设计应用

桥墩防撞一直是桥梁工程研究的重点，桥墩的损坏将直接影响桥梁的正常使用。轻质多孔的蜂窝结构及蜂窝夹芯结构具有很高的吸能效率，缓冲效果好，但用于桥墩防撞装置尚不普遍。然而，对于大型的桥梁结构，其桥墩的保护工作不容忽视。将这种吸能性能好的缓冲结构安装于桥墩周围，既能防止桥墩实体被撞毁，又能避免船舶受到巨大的损伤。此外，四周不断扩展的六边形在承受一次撞击后，局部破坏后还能继续使用，应用前景可观。

4 结论

作为一种常见的多孔金属材料结构,蜂窝结构具有轻质高强、孔隙率高、刚度大的特点，抗冲击、抗振等性能好。将其应用到防撞装置中，能够很大程度地降低船、桥在事故中的损伤，且局部损坏并不会对整体防撞性能产生太大影响，为桥墩防撞装置的设计提供了新的方向。